DISPOSITIF DE ROULEMENT DESTINE A SUPPORTER DES CHARGES MAXIMALES TRES IMPORTANTES

La présente invention concerne un dispositif de roulement destiné à supporter des charges maximales très importantes, et présentant cependant une masse très faible.

Elle s'applique plus particulièrement dans les domaines où une masse faible est primordiale y compris dans les environnements chimiquement agressifs ou dans les brouillards salins.

En particulier, elle convient d'une façon particulièrement avantageuse dans le domaine de l'accastillage des bateaux à haute performance, et notamment pour réaliser une poulie traversée en son centre par un trou de forme torique permettant l'attache de cette poulie par un cordage la traversant.

Classiquement, les roulements supportant de faibles charges voir des charges moyennes, comportent des billes qui sont généralement en acier ou même dans certains cas en alliage d'aluminium ou en céramique.

Lorsque les charges augmentent, classiquement les roulements utilisés comprennent des aiguilles.

On appelle en général aiguille, un rouleau ou une aiguille qui en roulant a une génératrice de contact. Les billes quant à elles n'ont qu'un point de contact. Ici on appellera aiguille un rouleau ayant une longueur au moins égale à son

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diamètre et roulant sur une génératrice. Dans la suite de la description, le terme "moyens de roulement" sera utilisé pour désigner indistinctement les billes, les aiguilles ou des moyens équivalents.

Jusqu'ici, les roulements supportant de fortes charges comprenaient des aiguilles en acier dur car l'acier dur offre des caractéristiques mécaniques compatibles avec les caractéristiques mécaniques nécessaires pour assurer un fonctionnement correct. Il était évident aux hommes de l'art que l'utilisation d'autres matériaux plus mous comme l'acier doux, les aciers inox, les alliages d'aluminium, le titane, ... ne conviennent pas pour réaliser des roulements à aiguilles devant accepter de fortes charges.

Malheureusement, les aciers durs sont lourds et peu résistants aux agents agressifs extérieurs comme les brouillards salins et ne peuvent donc être employés dans de nombreux domaines où ces deux caractéristiques supplémentaires sont primordiales.

On a déjà proposé de réaliser des roulements utilisant le titane soit pour réaliser des billes, soit pour réaliser les surfaces de roulement. Ces solutions conviennent uniquement lorsque les efforts radiaux sont peu importants. Si la pression de contact dépasse un seuil, la bille a tendance à s'écraser et la surface de roulement a tendance à se déformer par poinçonnement.

C'est la raison pour laquelle l'homme du métier va écarter spontanément cette solution pour la réalisation de poulies destinées à recevoir des efforts radiaux très importants de l'ordre d'une demi dizaine de tonnes, pour une masse de poulie de l'ordre de 300 grammes environ.

La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une solution spécialement bien adaptée à la réalisation d'un roulement devant supporter des charges importantes pour une masse minimale dans une ambiance chimiquement agressive.

A cet effet, elle propose un dispositif de roulement faisant intervenir deux pièces mobiles en rotation l'une par rapport à l'autre avec interposition d'organes de roulement portant sur des chemins de roulement en regard des deux pièces avec un appui qui s'exerce au niveau de surfaces de contact respectives desdits chemins et desdits organes de roulement.

Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce qu'au moins l'une desdites surfaces de contact porte une couche en un matériau plus dur et plus résistant que le substrat sous-jacent qui la supporte.

A titre d'exemple, le substrat portant la susdite couche pourra être réalisé en titane tandis que la couche pourra être réalisée en un matériau tel que le nitrure de titane qui présente une dureté plus élevée que le titane et cependant un coefficient de frottement très inférieur à celui-ci. On obtient ainsi un allégement du dispositif tout en augmentant les performances du dispositif.

En effet, grâce à cette disposition, la couche en matériau plus dur assure une répartition des efforts exercés par la surface de contact qui y vient en appui, sur une zone du substrat de plus grande dimension. De ce fait, on diminue la contrainte de compression exercée sur le substrat de manière à rester au dessus du seuil de déformation rémanente, et on obtient une réduction de l'effet de poinçonnement et des forces de frottement qui en résultent, très supérieure aux résultats escomptés.

II s'avère que de façon surprenante, ce résultat est particulièrement manifeste lorsqu'on utilise des roulements à aiguilles de préférence aux roulements à billes. Le résultat obtenu et en particulier la réduction de l'effet de poinçonnement sont très supérieurs aux résultats escomptés.

Selon un mode d'exécution particulièrement avantageux de l'invention, le dispositif de roulement comprend un ensemble d'aiguilles placées entre une partie fixe ayant au moins une surface de roulement externe cylindrique ou torique de révolution et une partie mobile ayant au moins une surface de roulement interne cylindrique ou torique de révolution.

Avantageusement, le dispositif de roulement précédemment décrit pourra constituer une poulie de haute performance pour bateaux à voile ou similaire où les efforts exercés sont très importants et où il est souhaitable de réduire les masses de la poulie et son encombrement tout en respectant les contraintes opérationnelles.

Cette poulie, de forme générale torique, pourra comprendre :

- un élément de guidage présentant une forme de révolution et comportant une gorge extérieure destinée à guider un cordage et une surface intérieure comprenant un premier chemin de roulement,

- une structure support annulaire sur laquelle est monté rotatif l'élément de guidage, cette structure de support étant réalisée par l'assemblage de deux pièces de révolution intérieures coaxiales respectivement droite et gauche,

- une bague de roulement et de liaison comprenant :

• à l'extérieur, une surface cylindrique de révolution constituant un second chemin de roulement,

• à l'intérieur, un moyen de réglage fin et d'assemblage des deux pièces de révolution intérieures gauche et droite,

- un ensemble d'organes de roulement situés entre le premier et le second chemins de roulement.

Avantageusement, la poulie précédemment décrite pourra présenter les caractéristiques suivantes :

- la pièce de révolution intérieure droite et la pièce de révolution intérieure gauche comportent des évidements permettant d'assurer à la fois une forme optimale sensiblement torique de l'intérieur de la poulie tout en réduisant la masse au maximum,

- des flancs droits et gauches prolongent respectivement les pièces de révolution intérieures droite et gauche,

- des organes de roulement tels que des billes sont placés sur les cotés latéraux de l'élément de guidage,

- les flancs droit et gauche sont en matériaux composites,

- les flans droit et gauche comprennent sur une partie de leur périphérie des petits trous pour que l'on puisse éventuellement placer un cordage de petit diamètre allant d'un flan à l'autre afin d'empêcher le cordage principal positionné dans la gorge de la poulie de s'extraire de cette gorge,

- les organes de roulement consistent en des billes ou des rouleaux réalisés en céramique,

- la bague de roulement et de liaison est en titane, revêtu d'une couche de nitrure de titane,

- la bague de roulement et de liaison est en céramique,

- l'élément de guidage est en titane,

- deux rondelles de frottements sont respectivement placées entre les rouleaux et les flancs afin de maintenir les rouleaux en position,

- le moyen de réglage fin et d'assemblage des deux pièces de révolution intérieures gauche et droite est constitué par un filetage disposé sur l'intérieur de la bague de roulement et de liaison et sur l'extérieur des pièces de révolution intérieure droite et gauche,

- une matière lubrifiante telle que de la graisse est placée dans les évidements de la pièce intérieure droite et gauche afin que ces évidements servent de réservoir à graisse,

- des évidemment remplis de graisse sont prévus dans la partie intérieure des rouleaux pour que lorsque la poulie tourne, la force centrifuge entraîne la graisse vers les rouleaux,

- deux lèvres latérales de propreté en forme de rondelle et montées radialement empêchent les saletés venant de l'extérieur de perturber le bon fonctionnement des rouleaux et empêchent la graisse de sortir.

Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après à titre d'exemple non limitatif en faisant référence aux dessins annexés dans lesquels :

La figure 1 est une vue de côté d'une poulie selon l'invention

La figure 2 est une coupe axiale selon A/A de la figure 1

La figure 3 est une vue partielle (demi coupe) à plus grande échelle de la figure 2.

Dans cet exemple, la poulie présente une forme générale torique. Elle comprend un élément de guidage rotatif (1) de forme annulaire comportant :

- une surface extérieure (Sl) formant une gorge évasée destinée à guider un cordage,

- une surface intérieure cylindrique (S2) comprenant un premier chemin de roulement,

- deux surfaces latérales (Ll, L2) qui s'étendent radialement et présentent chacune une cavité annulaire coaxiale de section en partie cylindrique dans laquelle sont disposées des billes 6 de roulement à billes.

Cet élément de guidage 1 est monté rotatif sur une structure support annulaire (ST) réalisée par l'assemblage de deux pièces de révolution intérieure, respectivement droite (2) et gauche (3) au niveau d'un plan radial (trace P, P') qui constitue un plan de symétrie de la poulie.

Cette structure de support (ST) présente du côté intérieur, une surface torique de section semi-circulaire et du côté extérieur, une surface cylindrique étagée bordée par deux rebords (Rl, R2) en saillie. La surface cylindrique étagée comprend une portion centrale cylindrique filetée (Pl, P2) et deux portions latérales cylindriques (P3, P4) de diamètre supérieur à la portion centrale (Pl, P2).

L'assemblage des deux pièces de révolution (2, 3) qui constituent la structure de support est assurée par une bague de roulement et de liaison (4) qui comprend, à l'extérieur, une surface cylindrique qui constitue un deuxième chemin de roulement 4a et à l'intérieur, une surface cylindrique taraudé (4b), sur laquelle viennent se visser les deux pièces de révolution (2, 3) au niveau des deux portions filetées (Pl, P2) qui constituent la susdite portion centrale.

L'avantage de cette solution consiste en ce qu'en fin de vissage des deux pièces de révolution (2, 3) sur la bague de roulement et de liaison (4) on obtient un positionnement précis de l'ensemble par rapport au plan radial (P ₅ P') de symétrie de la poulie.

Dans cet exemple, les deux pièces de révolution (2, 3) comprennent chacune une cavité annulaire coaxiale (2a, 3 a) qui débouche dans le plan axial de symétrie (P, P'). En position assemblée des deux pièces de révolution (2, 3), ces cavités (2a, 3 a) délimitent un volume étanche servant à l'allégement de la poulie et pouvant contenir un lubrifiant utilisé pour la lubrification des roulements grâce à des conduits de lubrification non représentés.

Entre les chemins de roulement (4a, S2) sont disposés des rouleaux (5) axés parallèlement à l'axe de rotation X, X' de l'élément de guidage (1).

Dans cet exemple, les rouleaux (5) sont réalisés en céramique par exemple en nitrure de silicium, matériau qui présente une très grande dureté et qui n'était pas utilisé jusqu'ici pour ce type d'application.

L'élément de guidage (1) est quand à lui réalisé en titane, le chemin de roulement (S2) étant recouvert d'une couche (C) en matériau plus dure que le titane, ici du nitrure de titane obtenu par bombardement ionique effectué avec un gaz de traitement comprenant de l'azote ou de l'ammoniaque.

De même, la bague de roulement et de liaison pourra être réalisée en titane revêtu, au niveau du chemin de roulement, d'une couche de nitrure de titane.

L'usage d'une combinaison titane/nitrure de titane pour les chemins de roulement (S2, 4a) et d'une céramique très dure pour les rouleaux (5) présente les avantages suivants :

- Les rouleaux ne se déforment pas sous l'effet des contraintes exercées sur la poulie et conservent donc intactes leurs propriétés de roulement.

- Les parties massives de la poulie sont réalisées en titane et sont donc légères. L'usage d'un dépôt de nitrure de titane au niveau des chemins de roulement (S2 ₅ 4a) permet de disposer d'une couche très dure présentant un très bon état de surface et pouvant présenter une très bonne précision. Les efforts de poinçonnement exercés par les rouleaux (5) sur les chemins de roulement (S2, 4a) sont répartis sur une zone de titane relativement importante grâce à la présence de la couche de nitrure de titane. Ainsi, la couche de nitrure de titane (C) ne subit qu'une très légère déformation élastique qui demeure sensiblement tangentielle au rouleau. Les forces de frottement entre les rouleaux (5) et les chemins de roulement (S2, 4a) sont donc réduites à un strict minimum. Il en est de même en ce qui concerne l'usure.

Dans cet exemple, les rebords (Rl, R2) des pièces de révolution (3, 2) servent chacun à retenir un flanc latéral (7, 8) (ou flasque) en forme de trapèze curviligne légèrement cintré muni d'un orifice central circulaire dont le diamètre intérieur est sensiblement égal au diamètre de la portion latérale (P3, P4) sur laquelle il se trouve engagé. Ces flancs latéraux (7, 8) servent à maintenir le cordage dans l'élément de guidage rotatif (1).

L'épaisseur de ces flancs (7, 8) est inférieure à la longueur de la portion (P3, P4) d e sorte qu'entre chaque flanc (7, 8) et la bague de roulement et de liaison

(4), il subsiste un espace dans lequel est disposé une rondelle entretoise (9, 10) maintenant les rouleaux 5 en position. Ces rondelles (9, 10) qui peuvent être réalisée en bronze ou en cuivre béryllium, délimitent avec les flancs (7, 8) correspondants des gorges dans lesquelles s'engagent deux lèvres latérales de propreté (11, 12) en forme de rondelle et montées radialement de manière à

empêcher que les saletés venant de l'extérieur ne viennent perturber le fonctionnement des rouleaux.

Avantageusement les extrémités des rouleaux (5) présentent une forme sphérique de manière à ce qu'un seul point des rouleaux (5) ne soit en contact avec les rondelles latérales (10). De ce fait, les rouleaux (5) peuvent s'incliner légèrement sans augmenter notablement les frottements entre les rouleaux et les rondelles.

Par ailleurs, les flancs sont munis, au niveau de leurs faces en regard, d'un chemin de roulement en matière dure sur lequel les billes (6) viennent en appui de manière à maintenir latéralement l'élément de guidage rotatif 1.

Conformément à l'invention, les chemins de roulement (S2 et 4a) sont revêtus d'une couche en matière plus dure que celle de l'élément de guidage 1 et de la bague de roulement et de guidage (4). Ainsi, dans le cas où l'élément de guidage (1) et la bague de (4) sont réalisés en titane, la couche de matière plus dure pourra consister en du nitrure de titane, un traitement de type CVD

("Chemical Vapor Disposition) ou même de type PACVD (dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma).

Cette couche pourra être obtenue par un traitement de type PVD (Physical Vapor Déposition) par bombardement ionique. Néanmoins d'autres traitements de surface du titane sont possibles comme par exemple un traitement de type BVB à haute ou basse température.

Bien entendu, l'invention ne se limite pas au mode d'exécution précédemment décrit. Ainsi :

- les flancs latéraux droit et gauche pourront être réalisés en matériaux composites et comprendre, sur une partie de leur périphérie des petits

trous pour que l'on puisse éventuellement placer un cordage de petit diamètre allant d'un plan à l'autre afin d'empêcher le cordage principal positionné dans la gorge de la poulie de s'extraire de cette gorge,

- les organes de roulement pourront consister en des billes de céramique ou en titane revêtu de nitrure de titane,

- la bague de roulement et de liaison pourra être réalisée au moins partiellement en céramique,

- des évidements remplis de graisse pourront être prévus dans la partie intérieure des rouleaux pour que lorsque la poulie tourne, la force centrifuge entraîne la graisse vers les rouleaux.

Le montage de la poulie peut s'effectuer comme suit :

- on prépositionne le flanc droit (7) dans la pièce de révolution intérieure droite (2) puis on positionne la rondelle entretoise (10) dans cette même pièce de révolution intérieure droite (2),

- on prépositionne le flanc gauche (8) dans la pièce de révolution intérieure gauche (3) puis on positionne la rondelle entretoise (9) et la lèvre (11) dans cette même pièce de révolution intérieure gauche (3),

- on place les billes (6) dans les cotés latéraux de l'élément de guidage (1),

- on visse l'une des deux pièces de révolution (2, 3) sur la bague de roulement et de liaison (4),

- on engage l'élément de guidage (1) coaxialement à la bague de roulement 4 puis on dispose les rouleaux (5) dans l'espace compris entre les deux chemins de roulement (S2 et 4a),

- on visse la deuxième pièce de révolution sur la bague de roulement et de liaison (4). En vissant plus ou moins les parties inférieures droites et gauches sur la bague de roulement et de liaison (4) il est possible de régler finement les tolérances latérales d'ensemble et notamment les jeux latéraux des rouleaux par rapport aux rondelles entretoises.

Le fonctionnement du dispositif précédemment décrit s'effectue de la façon suivante :

On passe une sangle par l'orifice central de la poulie. La forme arrondie de l'intérieur de structure support (ST) permet de ne pas endommager cette sangle et de minimiser les frottements existant entre cette sangle et l'intérieur de la poulie.

On place un cordage dans la gorge de l'élément de guidage 1.

L'ensemble est prêt pour être utilisé.

Comme précédemment mentionné, ce dispositif selon l'invention convient bien pour réaliser une poulie pour bateaux à voiles. Toutefois, ce dispositif trouve de nombreuses applications différentes dans les domaines variés ou pour être utilisé dans des systèmes devant comporter des poulies performantes de faible masse et de faible encombrement.